三维激光扫描技术在公路隧道测量中的应用

汪贵鹏

(三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000)

0 引言

三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势[1-2]。针对地下溶腔等地形，传统测量手段均无法完整准确地获取溶腔的位置信息，同时由于地下没有GNSS信号，所以无人机、RKT等测量手段也无法获取地下地形[3-4]，而采用全站仪测量，工程进度较慢，且测量点数较小，无法真实反应整个溶腔形态[5]。因此采用背包式激光扫描仪，对在高速公路隧道段出现的溶腔进行三维激光扫描，得到溶腔整体三维激光点云。

1 工程实例

某高速公路隧道段，在掌子面施工至ZK154+765，拱顶揭露出一大型干溶洞，纵向长约60 m，环向宽约30 m，径向高约25 m，溶洞内填充物为泥土、孤石混合堆积物，厚度10～15 m，左侧空溶洞往前延伸约50 m看不到尽头，右侧空溶腔，往右70～80 m看不到尽头，拱顶孤石稳定状态难以判断，有少量水渗出。由于溶腔构造不规则，传统测量手段均无法全面准确地描述溶腔整体特征特貌，故采用激光扫描仪对溶腔进行扫描，得到溶腔的三维模型；由于溶腔体积小，故采用背包式激光扫描仪对溶腔进行扫描。

2 三维激光点云扫描及建模

2.1 三维激光扫描介绍

SLAM激光扫描系统主要由激光扫描仪(Laser Scanner)、惯性测量单元(Inertial measurement unit，简称IMU)与SLAM算法(simultaneous localization and mapping)3个部分组成。由激光测距仪的激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被激光测距仪的接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可转换为对距离的测量，结合激光器的高度和激光扫描角度，就可以准确地计算出空间每一点的坐标x、y、z信息。

惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一个IMU包含了3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态，在导航中有着很重要的应用价值。

SLAM算法是这3个部分中最重要的，SLAM算法的好坏决定了解算出的移动轨迹的精准度，移动轨迹的精准度决定了空间场景三维数据的精准度。SLAM算法根据激光测距仪所获得三维数据中时间轴上共同的特征点加上IMU获取的姿态数据，实时解算设备从出发点移动的距离、角度信息，逆向地构建连续的空间场景数据，即被动式依据当前周围场景的数据实时计算出连续的空间数据。

2.2 三维激光扫描

采用SLAM背包式激光扫描仪对溶腔进行三维扫描，通过后期软件的拼接处理，并对激光点云进行着色，得到如图1的原始激光点云整体图。在溶腔壁布设“+”字型靶标，并采用全站仪对靶标坐标进行量测，通过后处理软件对激光点云整体进行平差，得到工程坐标系下的激光点云。

图1 溶腔原始激光点云整体图

2.3 三维激光点云建模

原始激光点扫描比较密集，抽稀后通过3D Reshaper对原始点云进行封装，并进行简单修饰，得到完整的溶腔三维模型。将隧道三维模型采用3dmax软件建成后，再用3dmax软件对溶腔三维模型和隧道三维模型进行纹理贴图，并融合在一起展示，得到如图2的溶腔三维模型与隧道三维模型融合俯视图和图3的溶腔三维模型与隧道三维模型融合左视图。在图2中，可以清晰地看到溶腔和隧道的相对位置关系。

图2 溶腔三维模型与隧道三维模型融合俯视图

图3 溶腔三维模型与隧道三维模型融合左视图

2.4 生成断面图

采用3D Reshaper对溶腔三维模型与隧道三维模型进行断面切割，分别在左侧测设线和右侧测设线对溶腔进行纵断面切割，并将溶腔纵断面与原设计的隧道图纸叠加，得到图4的右洞测设线处纵断面示意图和图5的左洞测设线处纵断面示意图。由图4和图5可以查询测设线到溶腔底板的距离。

图4 右洞测设线处纵断面示意图

图5 左洞测设线处纵断面示意图

沿测设线方向每隔5 m对溶腔进行横断面切割后，根据测设线距离溶腔位置，将溶腔横断面与隧道横断面叠加，得到图6的部分右洞横断面示意图和图7的部分左洞横断面示意图，由于横断面过多，图中只集中展示了溶腔对隧道影响较大部分。

图6 部分右洞横断面示意图

图7 部分左洞横断面示意图

由图6和图7可以看出，在右洞YK154+670处和右洞YK154+675处溶腔伸入隧道中，对隧道日后的施工产生较大影响。具体断面情况详见图8右洞YK154+670横断面和图9右洞YK154+675横断面。

图8 右洞YK154+670横断面

图9 右洞YK154+675横断面

2.5 溶腔与高速公路隧道段的关系

由图10的溶洞与隧道平面图可以看出以下几点关系。

图10 溶洞与隧道平面图

1)平面：溶腔长轴大致沿长轴方向101°可测量段长度约552.7 m，最宽处约84.2 m；平均宽度约49.5 m。

2)溶腔与隧道位置关系：溶腔与隧道轴线相交角度约25°，平面上投影与隧道左线相交最大长度124.01 m，与隧道右线相交最大长度88.94 m，整个溶洞绝大部分位于隧道拱顶上方，局部断面侵入隧道断面。

3)高程：溶洞底部地形由溶洞起点至终点降低(崩塌、堆积、冲刷后非均匀下坡)，起点高程约205.33 m，终点高程187.58 m，沿长轴方向纵向平均坡度3.2%；隧道设计高189.5～193.6 m；断面上南侧高，北侧低，最大坡度1：1，呈现狭窄溶槽。

2.6 解决方案

由图11的溶腔与隧道位置关系图可以给出以下的解决方案。

图11 溶腔与隧道位置关系图

1)溶腔位于隧道轮廓线以外且与隧道距离大于1D段落，不做额外的处治。

2)溶腔位于隧道上方与隧道间距大于1D，且地下水较发育。处治方案：局部径向注浆止水及加固(动态)，隧道结构加强为S-Ⅳd型衬砌。

3)溶腔位于隧道范围内大于0.5D小于1D。处治方案：对隧道周边软弱围岩进行径向注浆加固，隧道结构加强为S-Ⅳa型衬砌。

4)溶腔位于隧道范围内小于0.5D。处治方案：溶腔与隧道轮廓线间距不足5 m时，先对溶腔内块石和填充物进行回填固结；采用L=9 m Φ 89×6 mm中管棚及L=4.5 m Φ50 mm×5 mm大角度注浆小导管进行辅助施工；隧道结构加强为S-Ⅴb衬砌；初期支护完成后对隧道周边软弱围岩进行径向注浆加固。

3 结语

在高速公路修建过程中，隧道段一般在高山中，而山中情况复杂，前期的地质勘察手段可能无法勘察出详细的溶洞情况，在隧道修建过程中遇到溶腔是常有的情况，而测量溶腔问题却一直是公路建设的难点。本文给出三维激光扫描溶洞得到三维激光点云，并对三维激光点云进行建模，得到三维模型，在相关软件中对三维模型进行断面切割的方式得出溶腔与拟建隧道的相互关系，从而为设计和施工提供决策依据，指导后期的设计和施工。